混合鍵合與微凸塊的差異:間距、連接密度、平坦度比較

兩者都是以大量端子在垂直方向連接晶片與晶片、或晶片與晶圓的技術。微凸塊是熔化附著在銅柱前端等處的少量焊料來接合,因此需要保留間隔,以免焊料溢出而與相鄰端子相連,間距約為數十 µm。混合鍵合不使用焊料,而是將研磨平整的銅電極與介電膜的表面直接接合,因此間距可小於 10 µm,連接密度可提高好幾個數量級。但相對地,接合面需要奈米等級的平坦度與潔淨度。

項目混合鍵合微凸塊
接合方式將銅電極與銅電極、介電膜與介電膜以面直接接合將附著在銅柱等處的焊料凸塊加熱接合
焊料不使用使用
連接間距的大致範圍小於 10 µm。可縮小到數 µm數十 µm。最窄約 20 µm 左右
連接密度(每 1 mm²)約 1 萬(10 µm 間距)至十數萬(3 µm 間距)數百(40 µm 間距)至數千(20 µm 間距)
表面平坦度、潔淨度需要奈米等級的平坦度。即使是微小的微粒,也會形成無法接合的空洞焊料可吸收高度的差異,因此要求沒有那麼嚴格
晶片之間沒有間隙,不需要底部填充膠會產生間隙,以底部填充膠或樹脂膜填補
主要製程以 CMP 平坦化 → 清洗、以電漿活化 → 對位後貼合 → 退火(典型為數百 ℃)使銅與銅接合以電鍍形成凸塊 → 對位 → 以熱壓接合(TCB)或回焊接合 → 底部填充
接合的單位晶圓對晶圓,或晶片對晶圓以晶片為單位(晶片對晶圓、晶片對晶片)為主
電氣特性接合部極短,寄生電容小。傳輸 1 位元所需的能量小凸塊使寄生電容較大,比混合鍵合不利
主要用途堆疊式影像感測器、在處理器上方堆疊快取用 SRAM 等HBM 的 DRAM 堆疊、中介層上晶片的連接等

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

混合鍵合
想在晶片之間以短距離、低功耗連接非常多的導線時。例如像素與邏輯的堆疊、處理器與記憶體的堆疊等需要小於 10 µm 間距的情況。
微凸塊
數十 µm 的間距就足夠時。想以成熟的製程堆疊晶片或將晶片放到中介層上,而不需要嚴格管理平坦化與潔淨度的情況。
趨勢
從需要更窄間距與更高頻寬的用途開始,以混合鍵合取代微凸塊的趨勢正在推進,但基於成本與良率的考量,兩者仍依用途分別使用。

常見問題

為什麼混合鍵合能把間距縮得更窄?

因為不使用焊料。微凸塊需要保留間隔,以免熔化的焊料與相鄰凸塊相連;混合鍵合則是將銅電極嵌入介電膜的平坦表面彼此接合,因此沒有這種限制。連接數量與間距的平方成反比,因此間距縮小為 1/10 時,密度會變為 100 倍。

為什麼接合面需要很高的平坦度與潔淨度?

因為是將表面直接貼合,若有凹凸或微粒,其周圍會浮起而形成無法接合的空洞(void)。即使是 1 顆小微粒,也可能妨礙大得多的範圍接合,因此 CMP、清洗以及潔淨環境的管理非常重要。

「混合」指的是結合了什麼?

指的是在同一製程中同時進行介電膜與介電膜的接合,以及銅電極與銅電極的接合。首先介電膜彼此貼合,之後在加熱過程中銅膨脹,使銅與銅緊密接觸,並經擴散而成為一體。

微凸塊會不再被使用嗎?

不會很快消失。因為微凸塊是成熟的製程,對平坦度與潔淨度的要求較寬鬆,而數十 µm 間距就足夠的用途很多。兩者會依所需的間距、頻寬、成本與良率分別使用。

理解度檢測

下列關於混合接合(hybrid bonding)的說明,何者正確?

  1. A加大焊錫凸塊以提高連接可靠度的技術
  2. B每次使用兩條導線進行連接的技術
  3. C不使用凸塊,將銅電極與絕緣膜的表面直接接合,以極高密度連接的技術
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正確答案:C. 不使用凸塊,將銅電極與絕緣膜的表面直接接合,以極高密度連接的技術

混合接合是以CMP將晶片或晶圓表面平坦化後,同時將銅電極之間與絕緣膜之間直接接合的技術。由於不使用焊錫凸塊,連接間距可縮小到10 µm以下,甚至數µm左右,每1 mm²的連接數可增加好幾個數量級。已在堆疊式影像感測器上實用化,應用於處理器與快取的堆疊以及HBM的進展也持續推進。

用於TSV堆疊的晶片之間,或晶片與中介層之間的連接,比一般焊錫球小得多的凸塊稱為什麼?

  1. A微凸塊(microbump)
  2. BBGA的焊錫球
  3. C引線(lead)
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正確答案:A. 微凸塊(microbump)

微凸塊是以數十µm左右的間距排列、直徑為10~數十µm的極小凸塊,用於晶片間的大量連接。用於HBM的DRAM晶粒堆疊,以及中介層上晶片的連接等,多以熱壓接合方式接合。BGA焊錫球的間距約為0.4~1 mm。需要更窄間距時,則使用混合接合。

下列關於混合接合對接合面所要求條件的敘述,何者正確?

  1. A讓表面保持粗糙
  2. B奈米等級的極高平坦性與潔淨度
  3. C表面有厚油膜
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正確答案:B. 奈米等級的極高平坦性與潔淨度

混合接合是不使用凸塊,直接接合銅電極與絕緣膜的表面,因此接合面的凹凸必須在奈米以下,且不可有微粒或污染。即使只有1顆約100 nm的粒子,也可能在其周圍產生直徑數mm無法接合的空洞(void)。因此CMP與清洗技術、高潔淨度的環境十分重要。粗糙的表面或油膜會妨礙接合。

  1. 在銅與絕緣膜的混合接合中,關於銅電極之間如何接合的機制,下列說明何者正確?
  2. 在混合接合的各種方式中,能夠只挑選測試判定為良品的晶片,接合到對象晶圓上的方式是下列何者?
  3. 一邊加熱加壓一邊逐顆接合晶片與基板,用於翹曲大的薄晶片或窄間距凸塊連接的方法為何?

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相關名詞的解說

混合鍵合
不使用凸塊,將銅電極與絕緣膜的表面直接接合的技術。可在極窄的間距上進行大量連接。
微凸塊
用於以TSV堆疊的晶片之間,或晶片與中介層之間連接的凸塊,遠比一般的焊球小。間距約為數十µm。
TSV(矽穿孔)
貫穿矽基板的電極。以很短的距離將堆疊的晶片上下互相連接。
CMP(化學機械研磨)
化學機械研磨。結合研磨液的化學作用與研磨墊的機械研磨,使晶圓表面平坦化。
HBM(高頻寬記憶體)
以TSV堆疊多個DRAM晶粒,藉由非常寬的匯流排寬度實現高頻寬的記憶體。

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